食品擠壓技術集原料輸送、混合、剪切、蒸煮、成型為一體，具有原料適用範圍廣、產品種類多、能量利用率高等優點（Harper，1981）。
食品擠壓技術的發展曆史大約經曆了兩個階段。第一個階段是在20世紀40年代以前，主要以成型為目的，如使用活塞式或柱塞式擠壓機製作灌腸、餄餎、通心粉等。第二個階段是40年代以後，擠壓被認為是高溫短時的生物反應過程，可以對多種原材料進行改性，生產中間或最終產品，如擠壓組織化蛋白、變性澱粉、改性纖維等（Wiedmann，2004；劉洪武，2000；Unlu，1998）。從第二個階段開始，擠壓技術才成為一項重要的食品加工技術。
食品擠壓機是實現食品擠壓技術的主體設備載體。食品擠壓機是由動力模塊、擠壓模塊、控製模塊等組成。其中，動力模塊包括電機、變速箱等；擠壓模塊包括喂料器、機筒、螺杆、模頭、切割裝置、溫度控製係統等；控製模塊包括各種傳感器、計算方法和程序等（耿孝正，2003；Senanayake，1999）。
從20世紀40年代開始，單螺杆擠壓機開始在穀物膨化加工中得到應用；60年代，單機生產能力得到很大發展，可以達到5t/h。70年代，多台單螺杆擠壓機聯用，並出現雙螺杆擠壓機。雙螺杆擠壓機因其良好的輸送、混合性能，可變螺杆組合設計、相對較高的能量利用效率和更廣泛的適用性等優點，到80年代後，開始呈現出取代單螺杆擠壓機的趨勢（張裕中等，1998；Mercier，1989）。
雙螺杆擠壓機的種類較多（文東輝等，1999）。耿孝正（2003）在綜合前人經驗的基礎上認為，可以根據雙螺杆齧合程度、齧合區螺槽開放形式、螺杆轉向等對雙螺杆擠壓機進行分類。根據螺杆齧合程度將雙螺杆擠壓機分為非齧合型、全齧合型、部分齧合型等類型。非齧合型雙螺杆擠壓機（Non-Intermeshing Twin Screw Extruder）的特點為螺杆軸線間距離（L）不小於兩螺杆外徑（Ri）之和；齧合型雙螺杆擠壓機（Intermeshing Twin Screw Extruder）的特點為螺杆軸線間距離（I）小於兩螺杆外徑（Ri）之和；當L等於螺杆外徑和螺杆根徑（Ro）之和時，為全齧合型；當L在Ri+Ro和2Ri之間時為部分齧合型。齧合區螺槽的開放形式決定了物料在齧合區螺槽內的流動形式。物料不能沿著螺槽由一根螺杆流動到另一根螺杆，則稱為縱向（Lengthwise）封閉；反之則稱為縱向開放；物料可以從一個螺槽流到另一根螺杆相鄰的兩個螺槽中，則稱為橫向（Crosswise）開放；反之，則稱為橫向封閉；如果橫向開放，則縱向也必然開放。根據螺杆轉向可以將雙螺杆擠壓機分為同向旋轉、異向旋轉。同向旋轉是指擠壓機兩根螺杆的旋轉方向相同，異向則相反。在食品加工中比較常見的為全齧合、縱向開放、橫向封閉、同向雙螺杆擠壓機，常被稱為同向齧合雙螺杆擠壓機。
螺杆是擠壓機的關鍵部件之一。物料通過它完成輸送、混合、剪切、熔融、成型並擠出的過程（Harper，1981）。螺杆元件在芯軸上的排列與組合被稱為螺杆構型。用於描述或表示螺杆。不同構型的螺杆具有不同的功能。根據研究方法，螺杆研究可以分為兩種，一是從螺杆幾何參數出發，運用物理學、流變學理論，建立螺杆的物理模型，通過理論推導總結出螺杆的數學模型（Li，2001）。這種方法稱為“白箱”模型，在聚合物擠出中應用較多（Yerramilli et al.，2004；Bakalis et al.，2002）。二是將擠壓過程視為“黑箱子”，采用試驗的方法，運用化學、流變學理論及數理統計，分析擠壓前後物料的變化，推測螺杆的作用，稱為“黑箱”模型（魏益民 等，2009；Popescu et al.，2001；Cayot et al.，1995）。由於食品原料成分複雜，並且缺乏在剪切、溫度和壓力作用下流變學特性變化的基礎數據，因此，目前仍然以“黑箱”模型研究為主，即采用試驗和數理統計分析的方法。
根據原料的不同，擠壓技術可以應用於富含澱粉穀物的加工，如意大利麵條（通心粉）、穀物早餐食品、休閑膨化食品，也可以用於富含蛋白質原料的加工，如組織化蛋白等（楊薇，2001）。和前者相比，植物蛋白擠壓組織化機理仍不清楚，尤其是高水分擠壓組織化。高水分擠壓組織化（物料含水率≥40%，產品含水率≥35%）是國際上新興的植物蛋白重組技術（劉克順 等，2006；Akdogan，1999）。與低水分擠壓相比，高水分擠壓的優勢在於產品具有組織化程度高，彈韌性強，質地更接近畜禽肉，而且加工溫度較低，營養成分和生理活性成分損失少，再結合清潔的包裝技術，產品可以長時間保存。目前，大豆蛋白高水分濕法擠壓小試工藝參數基本明確，即擠壓溫度145～155℃，擠壓水分45%～50%，螺杆轉速90～160r/min，喂料速度20～40g/min（魏益民等，2009）。這一結果為以高水分大豆蛋白擠壓組織化為載體，研究螺杆作用或功能的表征奠定了工藝基礎。開展螺杆作用表征研究，一方麵可以完善高水分擠壓組織化技術的理論；另一方麵也可以服務於新型大豆組織化蛋白的開發，改進擠壓組織化設備的設計與製造。
第一節 大豆蛋白擠壓組織化機理
較早研究大豆蛋白高水分擠壓的是日本國家食品研究所。Isobe等（1987）認為，雙螺杆擠壓機通過調整螺杆轉向、螺杆元件類型和元件位置，具有降低壓力、減少漏流（leakage flow）的性能，比單螺杆更適合加工水分含量高的物料。雙螺杆擠壓機的應用促進了高水分擠壓技術的發展。和低水分擠壓技術相比，高水分擠壓的產品具有即食性、特殊的質地，以及便於工業化、規模化生產等特點。Isobe等（1987）還提出高水分擠壓需要解決物料的熱傳遞效率和模頭處擠出的不穩定性等問題，並指出，可以通過調整擠壓工藝，改進擠壓機機筒、螺杆和模頭等的設計加以克服。
早在1981年，Harper等描述了大豆蛋白在擠壓過程中的變化。天然球狀結構的大豆蛋白在擠壓機機筒內壓力場、溫度場、剪切力場以及高能水分的共同作用下，維持其高級結構的各種化學鍵發生一係列的變化，蛋白質失去天然結構，沿流動方向定向展開“取向”，在機頭處受突然冷卻和模頭形狀的作用，形成纖維狀的交聯結構。
魏益民等（2009）係統研究了大豆蛋白高水分擠壓組織化過程中擠壓條件、係統參數和目標參數的關係，擠壓產品的綜合評價和工藝參數優化，擠壓條件對停留時間分布的影響，以及大豆異黃酮在擠壓過程中的變化動力學，並從化學鍵、顯微結構和蛋白質二級結構變化等方麵探索了擠壓組織化的機理。
第二節 擠壓係統分析模型
在擠壓技術的研究中常采用擠壓係統分析模型進行分析（文東輝等，1999；Meuser et al.，1987）。擠壓係統分析模型將擠壓過程的參數分為擠壓參數（X）、係統參數（Y）和產品參數（Z）。擠壓參數包括設備參數和工藝參數。設備參數包括螺杆構型、模頭幾何形狀等。工藝參數包括螺杆速度、喂料速度、機筒溫度、原料特性等。係統參數包括單位機械能耗（Sepicial Mechanical Energy，SME）、熔融溫度（Melt Temperature，MT）、停留時間分布（Residence Time Distrobution，RTD）、壓力、扭矩等（Iwe et al.，2001）。產品參數包括感官特性、質構特性、流變學特性等。擠壓參數通過剪切速率和剪切應力影響係統參數，進而影響擠壓物料的分子結構，形成特定的產品參數。可見，螺杆構型屬於擠壓參數中的設備參數。如果將其作為自變量，螺杆填充度（Screw fill degree，FD）、SME（或扭矩）、壓力、RTD、產品分子結構、感官特性、力學特性、流變學特性等則為因變量，可以通過這些指標間接反映螺杆構型或螺杆的作用或功能，即為螺杆作用的表征。
第三節 螺杆構型變量類型及分解
一、螺杆構型變量類型
螺杆構型的英文表述有screw configuration和screw profile兩種，前一種較常用。螺杆構型沒有公認的定義，由於雙螺杆擠壓機的螺杆是組合式設計的，不同螺杆元件可以形成不同的排列組合，因此，可以認為螺杆構型是不同螺杆元件的排列與組合，屬於分類變量。為了進一步揭示螺杆構型的本質，需要對螺杆構型進行分解。根據概念，螺杆構型可以分解為螺杆元件、元件位置、元件長度等變量，其中，螺杆元件可以分解為元件類型、元件幾何參數等變量；元件位置分解為元件與模頭位置、元件間距等變量。經過分解，分類變量螺杆構型被分解成一個分類變量（元件類型）和若幹個數量型變量。對螺杆構型的分解有助於總結螺杆作用的表征規律，以及理解螺杆作用的本質。
二、螺杆元件類型及幾何參數
螺杆元件是具有特定幾何形狀或參數的螺杆基本組成單元。最常用的螺杆元件有輸送元件（Conveying Elements，CE）、捏合元件（Kneading Element，KE）、齒形元件（Gear type Element，GE）三大類型。每一類型螺杆元件有特定的幾何參數，如長度、螺旋角、捏合盤厚度、錯列角等（Dreiblatt，2008a）。同向齧合雙螺杆擠壓機的CE屬於縱向開放（Lengthwise Open），橫向封閉（Crosswise Close）元件類型，即物料可以從一根螺杆通過螺槽到達另一根螺杆，但無法通過螺棱到達其他螺槽；KE屬於縱向和橫向皆開放的元件類型（Wiedmann et al.，1988）。
（一）輸送元件及其幾何參數
輸送元件（CE）是螺紋形的，是組成螺杆的基本單元（Dreiblatt，2008b；魏宗平，2005）。CE的設計因素包括輸送方向、螺距、螺紋頭數。CE分為右旋或左旋。從元件端麵觀察，元件朝右或順時針旋轉時，螺紋朝觀測者方向旋轉的元件是右旋（CE）；反之則為左旋（CE）。對應的輸送方向有正向和反向。正向是指朝著擠壓機模頭的方向。能將物料朝正向輸送的元件稱為正向元件，反之則為反向元件。
螺距是指螺紋旋轉1圈的軸向距離，可以用長度單位（mm）、螺杆直徑（D）或螺旋角（度）表示。螺距決定元件的體積交換能力（Volumetric Displacement Capacity，VDC）、填充度（FD）和停留時間分布（RTD）。元件螺距固定後，自由容積也就固定了。大螺距元件的螺距達1.5～2.0D，具有VDC高、輸送速度快、FD低的特點，主要用於喂料和排氣；0.25～0.75D則屬於小螺距元件，具有VDC低、輸送速度慢的特點，增加下遊中等螺距元件的FD，有利於熱傳遞和泵送。
螺紋頭數（n）通常為1、2、3頭。三種元件可以混合使用，但相互之間需使用過渡元件。沿流動方向物料可形成（2n-1）個區域。單頭元件螺紋厚度大，漏流間隙小，自由容積低，泵送能力高，可用於喂料和泵送區域。雙頭是同向螺杆的標準頭數，相對於多頭元件，具有較低的剪切作用，為下遊的單頭元件分配熔體，主要用於固體物料喂料、熔體輸送、排氣和泵送；三頭元件具有較高的剪切作用，為下遊雙頭元件分配熔體，螺槽深度淺，主要用於熔融和分布混合（Distributive Mixing）。反向元件與模頭方向逆向輸送，以保持上遊高的FD，形成反向壓力，起到封閉熔體的作用，其可以支持的壓力與FD呈比例。設計因素包括螺距、螺紋頭數和長度。反向CE仍然是縱向開放元件。物料通過反向CE時需要足夠的壓力，遭受較強的剪切、溫度和分散混合（Dispersive Mixing）作用。矩形槽螺紋（Undercut）大約增加自由容積10%～15%，可改善自由流動固體的輸送效果，主要用於喂料，但無自潔性。
（二）捏合元件及其幾何參數
捏合元件（KE）是由一定數量的特定形狀的捏合盤按照一定的錯列角排列而成的元件類型（Dreiblatt，2008b）。KE的設計因素包括輸送方向、捏合盤錯列角（Disc Offset Angle）、捏合盤厚度（Disc width）、捏合盤數量、捏合盤形狀等。KE中捏合盤的排列分右旋和左旋。麵對著模頭，右旋排列的KE順時針旋轉可以使物料朝模頭方向流動，左旋則使物料遠離模頭。因此KE可以提供正向輸送、反向輸送或無輸送能力。反向KE可以保持上遊較高的填充度（FD），由於捏合盤之間的間隙，可支持的壓力反向KE比反向輸送元件（CE）小。錯列角通常為30°，45°，60°和90°。隨著錯列角增加至90°，橫向開放區域逐步增加，密封性和輸送能力下降。上遊需要建立足夠的壓力，物料才能流過反向KE，因此，反向KE也可以起到密封熔體的作用。